有限要素シミュレーションによる接地中の足部内で生じる力学現象の解明

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K01677
• Research Institution: Rikkyo University
• Principal Investigator: 石井 秀幸 立教大学, コミュニティ福祉学部, 特任准教授 (40534730)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: バイオメカニクス / 有限要素解析 / 接地 / 足部内挙動 / 医用画像 / 形状抽出 / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，瞬間的な衝撃力が足部に作用する着地やスポーツ動作における接地中の足部内部で生じる力学現象を解明することを目的とし，有限要素モデルを作成して，材料特性などを変化させた着地および走行動作における接地のシミュレーションを行う．
当該年度には，前年度に作成した有限要素モデルについて，有限要素解析ソフトウェアAbaqus（ダッソー・システムズ社／本研究費でライセンスを延長購入）を用いて解析に不適な要素の修正・削除をした．また，軟組織の表面に皮膚をモデル化した．各部位に割り当てた材料特性の値，荷重の定義を修正したが，当該年度末においても試行錯誤している状態であるため，次年度に作業を継続する．有限要素モデルの作成工程に含まれる境界条件の定義，接地局面の有限要素解析，解析結果の出力については，次年度に実施予定である．
なお，当該年度に実施予定であった「有限要素モデルの妥当性確認」「有限要素シミュレーション」についても，次年度に実施する予定である．
本研究を推進することで，着地，歩行および走行動作の接地中における足部の骨の3次元的な挙動とそこで生じる力学現象を明らかにできる可能性がある．さらにシミュレーションによって，材料特性などの変化が，着地衝撃応答や歩行・走行動作に影響を及ぼすメカニズムを検討することも可能である．これらの結果は，障害発生予防，パフォーマンス向上，製品開発に寄与する可能性があるという点で意義のあるものと考える．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

有限要素モデルの作成過程において，解析に不適な要素の修正・削除，皮膚のモデル化，材料特性の修正，荷重の定義の修正などは，試行錯誤しながら適当な方法を検討する必要があった．当該年度末においてもまだ有限要素モデルの作成途中であり，当該年度に予定していた「有限要素モデルの妥当性確認」「有限要素シミュレーション」を実施できていない．足部の有限要素モデルの作成は非常に難易度が高く，試行錯誤が必要な作業が多くあったため，申請時の研究計画より進捗が遅れているが，研究は着実に進展していると考える．

Strategy for Future Research Activity

今後はまず，当該年度末において試行錯誤の段階であった足部の有限要素モデルの作成を進める．具体的には，材料特性の修正，荷重の定義の修正を行い，さらに着地および走行動作の実験の接地直前における足部の位置・姿勢に足部モデルを配置する．その後，地面反力データおよび運動学データについて，有限要素解析結果を実験結果と比較することによって，有限要素モデルの妥当性を検討する．妥当性が検証されたモデルを用い，材料特性などを変化させて着地および走行動作における接地のシミュレーションを行う．

Causes of Carryover

当該年度の直接経費は合計750,655円であり，有限要素解析ソフトウェアAbaqusの3ヶ月ライセンスとサポートコンサルティング，計算機OSであるRed Hatの年間サブスクリプションの合計635,261円との差額として次年度使用額115,394円が生じた．
次年度の直接経費は，当該年度の直接経費のうちの次年度使用額である115,394円である．次年度は，Abaqusのサポートコンサルティング，Red Hatの年間サブスクリプションで使用する計画である．